Роторный лопастной нагнетатель Российский патент 2024 года по МПК F04C18/344 F04C18/352 

Изобретение относится к нагнетательным установкам объемного типа и может использоваться в вентиляторостроении и компрессоростроении.

Известны нагнетатели объемного типа с возвратно-поступательным движением рабочего органа (см. Калинушкин М.П. Гидравлические машины и холодильные установки. М.: Высшая школа, 1973. С. 102 (рис. V⋅2, V⋅3), с. 107 (рис. V⋅15)). Они характеризуются высоким создаваемым напором. К недостаткам относится конструктивная сложность, прерывистая подача перемещаемой среды и наличие холостого хода рабочего органа в нагнетателях одинарного действия, динамическая неуравновешенность.

Известны нагнетатели объемного типа с вращательным движением рабочего органа, которые обеспечивают равномерную подачу перемещаемой среды. К числу таких нагнетателей относится, в частности, ротационно-пластинчатый компрессор (см. Абдурашитов С.А., Тупенченков А.А., Вершинин И.М., Тененгольц С.М. Насосы и компрессоры. М.: Недра, 1974. С. 269 (рис. 12. 4)). Известное устройство компактно, динамически уравновешенно и имеет относительно высокую производительность. Отсутствие рабочих клапанов дает возможность использовать высокоскоростной привод рабочего органа. Недостатком является интенсивный износ пластин ротора и опасность их защемления при перемещениях в радиальных направлениях в пазах ротора.

В известном роторном компрессоре (см. Евразийский патент №005220, МПК F04C 18/344. Опубл. 2004.12.30) замедление износа пластин ротора достигается за счет дополнительной вращающейся втулки с продольными окнами, которая примыкает к поверхности цилиндрического статора и ограничивает прямое контактирование кромок пластин с этой поверхностью. Большая часть износа трущихся при скользящем контакте поверхностей здесь переходит на вращающуюся втулку. Наличие дополнительной втулки в известном устройстве усложняет конструкцию, снижает надежность устройства. По мере эксплуатации устройства и роста зазора между трущимися поверхностями вращающейся втулки и неподвижного цилиндрического статора возрастают перетоки перемещаемой среды между зонами нагнетания и всасывания. Эффективность работы устройства при этом постоянно снижается.

Известен роторный нагнетатель, содержащий цилиндрический статор с входными и выходными окнами, торцовые крышки цилиндрического статора со ступицами, эксцентрично расположенный внутри цилиндрического статора цилиндрический ротор, приводной вал ротора, пластины ротора, входной и выходной патрубки (см. Касьянов В.М. Гидромашины и компрессоры. М.: Недра, 1979. С. 202 (рис. 32. 1)). В известном устройстве пластины ротора расположены в пазах ротора с наклоном в сторону вращения приводного вала, что несколько уменьшает опасность защемления пластин при радиальных их перемещениях из-за более благоприятного направления результирующей силы, действующей на каждую пластину, по отношению к аналогичным устройствам с радиальным расположением пластин в пазах ротора. Недостатком известного устройства является исполнение ротора сплошным и массивным, что обусловливает повышенную его материалоемкость и дополнительную токовую нагрузку на приводной электродвигатель при пуске в работу, связанную с необходимостью преодолевать значительную силу инерции покоя массивного ротора. К недостаткам относится и ограничение частоты вращения ротора из-за недопущения максимальной окружной скорости пластин величиной выше примерно 13 м/с, так как превышение данной величины скорости приводит к быстрому износу пластин.

В известном устройстве (RU 2371586 С2 (Ненашев В.И.), 27.10.2009, F01С 1/352) радиально расположенные в цилиндрическом корпусе лопасти имеют возможность совершать только вращательные движения. Эксцентрично расположенный в цилиндрическом корпусе кольцевой ротор имеет прорези для размещения в них лопастей. Данное устройств имеет сложную конструкцию, значительный износ контактирующих поверхностей кольцевого ротора и лопастей в прорезях, сохраняется опасность защемления лопастей.

Известен нагнетатель, содержащий цилиндрический статор, входное и выходное окна, входной и выходной патрубки, торцовые крышки цилиндрического статора, эксцентрично расположенный внутри цилиндрического статора цилиндрический ротор, приводной вал ротора, пластины ротора, при этом цилиндрический ротор состоит из обечайки с прорезями и жестко соединенного с кромками обечайки на одной из ее сторон торцового диска с втулкой, посаженной на приводной вал, прорези в обечайке ротора расположены с одинаковыми угловыми смещениями по окружности обечайки, размещенные в прорезях обечайки пластины ротора выполнены в виде плоских прямоугольных лопастей, каждая из которых одной своей кромкой соединена с несколькими цилиндрическими кольцами, одетыми с возможностью вращения на цилиндрический стержень, который своим концом закреплен в ступице одной из торцовых крышек цилиндрического статора, имеет с ним общую ось и расположен в полости ротора, свободными кромками плоские прямоугольные лопасти примыкают с минимальными зазорами к сопрягаемым поверхностям цилиндрического статора и его торцовых крышек, в другой торцовой крышке со стороны полости цилиндрического статора имеется проточка для размещения в ней торцового диска цилиндрического ротора, между втулкой торцового диска и ступицей торцовой крышки цилиндрического статора и между цилиндрическими кольцами и цилиндрическим стержнем установлены подшипники (GB 191025861 A (Vail Robert William), 07.12.1911, F04C18/352), - прототип. В известном нагнетателе прорези на обечайке цилиндрического ротора с одной торцовой ее стороны открыты, что в условиях переменного по направлению механического взаимодействия обечайки и расположенных в ее прорезях плоских прямоугольных лопастей в процессе работы нагнетателя создает знакопеременные динамические напряжения, которые, например при возникшем защемлении лопастей, могут приводить к изгибу консольных элементов (лепестков) обечайки, расположенных между смежными прорезями, что снижает надежность работы устройства. Большое количество трущихся друг о друга элементов и большая их площадь трения в известном нагнетателе приводит к значительным потерям затрачиваемой на привод рабочего органа энергии, к быстрому износу трущихся элементов и опасности защемления плоских прямоугольных лопастей в прорезях обечайки.

Техническая проблема заключается в повышении эффективности и надежности работы роторного лопастного нагнетателя.

Поставленная проблема решается тем, что роторный лопастной нагнетатель, содержащий цилиндрический статор, входные и выходные окна, входной и выходной патрубки, торцовые крышки цилиндрического статора, эксцентрично расположенный внутри цилиндрического статора цилиндрический ротор, приводной вал ротора, пластины ротора, при этом цилиндрический ротор состоит из обечайки с прорезями и жестко соединенного с кромками обечайки на одной из ее сторон торцового диска с втулкой, посаженной на приводной вал, прорези в обечайке ротора расположены с одинаковыми угловыми смещениями по окружности обечайки, размещенные в прорезях обечайки пластины ротора выполнены в виде плоских прямоугольных лопастей, каждая из которых одной своей кромкой соединена с несколькими цилиндрическими кольцами, одетыми с возможностью вращения на цилиндрический стержень, который своим концом закреплен в ступице одной из торцовых крышек цилиндрического статора, имеет с ним общую ось и расположен в полости ротора, свободными кромками плоские прямоугольные лопасти примыкают с минимальными зазорами к сопрягаемым поверхностям цилиндрического статора и его торцовых крышек, в другой торцовой крышке со стороны полости цилиндрического статора имеется проточка для размещения в ней торцового диска цилиндрического ротора, между втулкой торцового диска и ступицей торцовой крышки цилиндрического статора и между цилиндрическими кольцами и цилиндрическим стержнем установлены подшипники, выполнен так, что обечайка цилиндрического ротора на стороне, противоположной от торцового диска, своими кромками соединена с плоским кольцом, которое размещено в проточке, имеющейся в одной из торцовых крышек цилиндрического статора, прорези в обечайке ротора имеют расширения в сторону внутренней поверхности обечайки ротора, на внешних сторонах торцовых крышек имеются ребра жесткости.

В отличие от известного устройства, соединение обечайки цилиндрического ротора на стороне, противоположной от торцового диска, своими кромками с плоским кольцом, которое размещено в проточке, имеющейся в одной из торцовых крышек цилиндрического статора, повышает жесткость и прочность цилиндрического ротора, исключает возможность изгиба элементов обечайки, увеличивает надежность работы устройства. Наличие плоского кольца на кромке обечайки дает возможность выполнять стенку обечайки с меньшей толщиной и тем самым уменьшить материалоемкость цилиндрического ротора и его инерционность, что позволяет понизить величину пускового тока, проходящего через приводной электродвигатель, повысив тем самым надежность работы двигателя и всего устройства. Установленная мощность электродвигателя при этом может приниматься близкой к соответствующему номинальному значению мощности нагнетателя. В устройстве отсутствует непосредственный контакт кромок плоских прямоугольных лопастей с сопрягаемыми поверхностями цилиндрического статора и его торцовых крышек, кромки лопастей не подвержены износу, что способствует постоянству характеристик нагнетателя в процессе длительной его эксплуатации. Расширения прорезей в обечайке ротора в сторону внутренней ее поверхности дают возможность свободного смещения обечайки цилиндрического ротора относительно плоских прямоугольных лопастей при сохранении минимальных величин зазоров между кромками прорезей и поверхностями лопастей в условиях изменяющихся углов между стенкой обечайки и лопастями в процессе работы нагнетателя. Наличие на внешних сторонах торцовых крышек ребер жесткости позволяет уменьшить толщину стенок крышек и, следовательно, снизить материалоемкость устройства. Кроме того, за счет повышения общей жесткости корпуса устройства возможно увеличивать давление нагнетания перемещаемой среды и в процессе длительной эксплуатации сохранять минимальными зазоры между кромками лопастей с сопрягаемыми поверхностями корпуса.

Таким образом, совокупность отличительных признаков обеспечивает повышенную эффективность и надежность работы роторного лопастного нагнетателя и позволяет решить поставленную проблему.

Технический результат состоит в устранении возможности защемления плоских прямоугольных лопастей в прорезях обечайки ротора и износа сопрягаемых поверхностей элементов устройства, находящихся в относительном движении, при сохранении величин зазоров между сопрягаемыми поверхностями неизменными и минимальными в процессе работы, и, как следствие, снижение затрат энергии на привод и обеспечение постоянства значений подачи и создаваемого напора при длительной эксплуатации нагнетателя.

На фиг. 1 схематично показан поперечный разрез роторного лопастного нагнетателя; на фиг. 2 - ступенчатый разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - выносной элемент I на фиг. 1.

Роторный лопастной нагнетатель содержит цилиндрический статор 1 с входным 2 и выходным 3 окнами и входным 4 и выходным 5 патрубками. Цилиндрический статор 1 с боков имеет две торцовые крышки 6 и 7 со ступицами соответственно 8 и 9. Внутри цилиндрического статора 1, эксцентрично с ним, расположен цилиндрический ротор 10, состоящий из обечайки 11 с прорезями 12 по образующим, торцового диска 13, жестко соединенного с торцовыми кромками обечайки 11 с одной ее стороны и имеющего втулку 14, и плоского кольца 15, соединенного с торцовыми кромками обечайки 11 на другой ее стороне. Втулка 14 торцового диска 13 посажена на приводной вал 16 и закреплена на нем с помощью фиксатора 11. Расположенные в прорезях 12 обечайки 11 пластины ротора выполнены в виде плоских прямоугольных лопастей 18, каждая из которых одной своей кромкой соединена с несколькими цилиндрическими кольцами 19, одетыми с возможностью вращения на цилиндрический стержень 20, который своим концом закреплен в ступице 8 торцовой крышки 6 цилиндрического статора 1, имеет с ним общую ось и расположен в полости ротора 10. Свободными кромками плоские прямоугольные лопасти 18 примыкают с минимальными зазорами 21 к сопрягаемым поверхностям цилиндрического статора 1 и его торцовых крышек 6 и 7. Торцовая крышка 6 со стороны полости цилиндрического статора 1 имеет проточку 22 для размещения в ней плоского кольца 15 цилиндрического ротора 10, а другая, противоположно расположенная, торцовая крышка 7 имеет проточку 23 для размещения в ней торцового диска 13. Проточка 22, выполненная на торцовой крышке 6, и проточка 23, выполненная на другой, противоположно расположенной крышке 7, имеют оси, расположенные на линии оси цилиндрического ротора 10. Между цилиндрическими кольцами 19 и цилиндрическим стержнем 20, а также между втулкой 14 торцового диска 13 и ступицей 9 торцовой крышки 7 цилиндрического статора 1, установлены подшипники 24 и 25 соответственно. На внешней стороне торцовых крышек 6 и 7 имеются ребра жесткости 26 и 27 соответственно.

Роторный лопастной нагнетатель при перемещении сжимаемого газа работает следующим образом.

От вращающегося приводного вала 16 вращающий момент передается на втулку 14, закрепленную на валу с помощью фиксатора 17, и далее через торцовый диск 13 - на жестко с ним соединенную обечайку 11, в прорезях 12 которой расположены плоские прямоугольные лопасти 18. Вращение обечайки 11 ротора 10 одновременно с валом 16 приводит к круговому движению закрепленных одной своей кромкой на цилиндрических кольцах 19 плоских прямоугольных лопастей 18 вокруг совмещенной оси цилиндрического стержня 20 и цилиндрического статора 1. Так как оси вращения лопастей 18 и ротора 10 смещены, то при вращении обечайка 11 совершает относительно каждой из плоских прямоугольных лопастей 18 возвратно-поступательные перемещения. При этом объем пространства ограниченного поверхностями статора 1, ротора 10 и смежных плоских прямоугольных лопастей 18 изменяется по траектории вращения. Перемещаемая среда поступает через входной патрубок 2 и входное окно 4 в часть пространства цилиндрического статора 1, где расстояние между ним и обечайкой 11 максимальное, заполняет межлопастные пространства с большим объемом, перемещается при вращении ротора 10 с лопастями 18 в область траектории вращения с минимальным расстоянием между обечайкой 11 и цилиндрическим статором 1, где межлопастные пространства имеют минимальный объем, и в сжатом состоянии при повышенном давлении проходит через выходное окно 3 и далее через выходной патрубок 5 удаляется из нагнетателя.

Перетоки перемещаемой среды в полости цилиндрического статора 1 из части пространства полости с высоким давлением в часть пространства с низким давлением минимизируются за счет малой величины зазоров между свободными кромками плоских прямоугольных лопастей 18 с сопрягаемыми поверхностям цилиндрического статора 1, его торцовых крышек 6 и 7, а также плоского кольца 15 и торцового диска 13, расположенных в проточках соответственно 22 и 23 торцовых крышек 6 и 7. Минимальной величины выполняются зазоры и между сопрягаемыми поверхностями лопастей 18 и стенкой обечайки 11 в прорезях 12. Постоянство величины зазоров в процессе длительной эксплуатации нагнетателя в значительной степени обеспечивается жесткостью его конструкции и, в частности, наличием ребер жесткости 26 и 27 на внешней поверхности торцовых крышек соответственно 6 и 7.

В нагнетателе непосредственный контакт плоских прямоугольных лопастей 18, сопровождающийся трением скольжения, осуществляется только с заостренными кромками прорезей 12 в обечайке 11, что минимизирует потери на трение. Это обстоятельство и наличие подшипников 25, установленных между втулкой 14 торцового диска 13 и ступицей 9 торцовой крышки 7 цилиндрического статора 1, а также подшипников 24, установленных между цилиндрическими кольцами 19 и цилиндрическим стержнем 20, способствуют повышению энергетической эффективности устройства.

Изображенный на фиг. 1 роторный лопастной нагнетатель имеет направление вращения приводного вала 16 и ротора 10 по часовой стрелке. При направлении вращения против часовой стрелки входной 4 и выходной 5 патрубки, а также входное 2 и выходное 3 окна на цилиндрическом статоре 1 должны быть размещены по окружности статора 1 с угловым смещением по отношению к их положению показанному на фиг. 1.

Предлагаемый роторный лопастной нагнетатель имеет следующие преимущества по отношению к аналогам:

- повышенные эффективность и надежность;

- устранена опасность защемления лопастей в пазах ротора;

- отсутствует износ кромок лопастей;

- меньшие удельные материальные затраты при изготовлении и энергозатраты при эксплуатации нагнетателя.

Изобретение относится к роторным лопастным нагнетателям. Нагнетатель содержит цилиндрический статор 1, торцовые крышки 6 и 7, эксцентрично расположенный внутри статора 1 ротор с пластинами. Ротор состоит из обечайки 11 с прорезями и жестко соединенного с кромками обечайки 11 на одной из ее сторон торцового диска 13. Прорези расположены с одинаковыми угловыми смещениями по окружности обечайки 11. Размещенные в прорезях пластины выполнены в виде плоских прямоугольных лопастей 18, каждая из которых одной своей кромкой соединена с несколькими цилиндрическими кольцами 19, одетыми с возможностью вращения на стержень 20, который своим концом закреплен в ступице крышки 6, имеет с ним общую ось и расположен в полости ротора. Свободными кромками лопасти 18 примыкают с минимальными зазорами к сопрягаемым поверхностям статора 1 и крышек 6, 7. В крышке 7 со стороны полости статора 1 имеется проточка 23 для размещения в ней диска 13. Обечайка 11 на стороне, противоположной от диска 13, своими кромками соединена с плоским кольцом 15, которое размещено в проточке 22, имеющейся в крышке 6. Прорези имеют расширения в сторону внутренней поверхности обечайки 11. На внешних сторонах крышек 6, 7 имеются ребра жесткости. Изобретение направлено на повышение эффективности и надежности работы нагнетателя. 3 ил.

Роторный лопастной нагнетатель, содержащий цилиндрический статор, входные и выходные окна, входной и выходной патрубки, торцовые крышки цилиндрического статора, эксцентрично расположенный внутри цилиндрического статора цилиндрический ротор, приводной вал ротора, пластины ротора, при этом цилиндрический ротор состоит из обечайки с прорезями и жестко соединенного с кромками обечайки на одной из ее сторон торцового диска с втулкой, посаженной на приводной вал, прорези в обечайке ротора расположены с одинаковыми угловыми смещениями по окружности обечайки, размещенные в прорезях обечайки пластины ротора выполнены в виде плоских прямоугольных лопастей, каждая из которых одной своей кромкой соединена с несколькими цилиндрическими кольцами, одетыми с возможностью вращения на цилиндрический стержень, который своим концом закреплен в ступице одной из торцовых крышек цилиндрического статора, имеет с ним общую ось и расположен в полости ротора, свободными кромками плоские прямоугольные лопасти примыкают с минимальными зазорами к сопрягаемым поверхностям цилиндрического статора и его торцовых крышек, в другой торцовой крышке со стороны полости цилиндрического статора имеется проточка для размещения в ней торцового диска цилиндрического ротора, между цилиндрическими кольцами и цилиндрическим стержнем, а также между втулкой торцового диска и ступицей торцовой крышки цилиндрического статора установлены подшипники, отличающийся тем, что обечайка цилиндрического ротора на стороне, противоположной от торцового диска, своими кромками соединена с плоским кольцом, которое размещено в проточке, имеющейся в одной из торцовых крышек цилиндрического статора, прорези в обечайке ротора имеют расширения в сторону внутренней поверхности обечайки ротора, на внешних сторонах торцовых крышек имеются ребра жесткости.